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天科合達談八英寸SiC

發(fā)布人：旺材芯片 時間：2023-01-17 來源：工程師 發(fā)布文章

來源：內(nèi)容來自來源：人工晶體學報，作者：婁艷芳、劉春俊等 單位：北京天科合達半導體股份有限公司，謝謝。


引　言


碳化硅(SiC)作為第三代半導體材料，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優(yōu)勢，在高溫、高壓、高頻領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，已成為半導體材料技術(shù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。SiC襯底主要包括導電型和半絕緣型兩類，二者在外延層及下游應用場景不同。導電型SiC襯底經(jīng)過同質(zhì)外延生長、器件制造可制成SiC二極管、金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)等功率器件，被應用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域[1]；半絕緣型SiC襯底經(jīng)過氮化鎵外延、器件制造可制成高電子遷移率晶體管(HEMT）等微波射頻器件，主要應用于5G通信、衛(wèi)星、雷達等領(lǐng)域[2]。在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底是晶圓制造的基礎(chǔ)，是所有半導體芯片的底層材料，主要起到物理支撐、導熱及導電作用，特別是在SiC功率半導體器件中，由于使用了同質(zhì)外延，SiC襯底質(zhì)量直接影響外延材料的質(zhì)量，進而對SiC功率半導體器件的性能發(fā)揮具有決定性的作用。高質(zhì)量SiC襯底的獲得存在單晶制備和加工兩方面的難度：一方面SiC通常需要在高溫(>2000 ℃)的環(huán)境中生長[3]，而且SiC存在250多種晶型，因此制備高質(zhì)量單一晶型的成本和難度非常大；另一方面，SiC硬度與金剛石接近，單晶的加工難度和成本都很高。據(jù)測算，在SiC器件制造各環(huán)節(jié)中，襯底成本占總成本近50%。襯底尺寸越大，單位襯底可集成芯片數(shù)量越多，單位芯片成本越低。采用8英寸(1英寸=2.54 cm)襯底比6英寸可多切近90%的芯片，邊緣浪費降低7%，有利于進一步降低芯片的成本，因此大尺寸化是SiC產(chǎn)業(yè)鏈降本增效的主要路徑之一。目前，6英寸襯底是SiC襯底市場上的主流產(chǎn)品，而8英寸襯底是SiC半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一。在國際上，行業(yè)龍頭美國Wolfspeed Inc.(原 Cree)最早在2015年展示了8英寸SiC樣品，其他多家企業(yè)也陸續(xù)宣布研發(fā)出了8英寸SiC襯底，例如Coherent Corp.(原Ⅱ-Ⅵ Inc.)、Rohm semiconductor Co. Ltd.、STMicroelectronics等。Wolfspeed Inc.是目前唯一一家實現(xiàn)8英寸SiC襯底量產(chǎn)的企業(yè)，其位于紐約莫霍克谷的8英寸SiC襯底工廠已于2022年4月正式投產(chǎn)[4]。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和科研機構(gòu)雖然起步稍晚，但也取得不錯的進展。2022年，多家單位公布了8英寸產(chǎn)品開發(fā)成功[5]，這些單位有北京天科合達半導體股份有限公司、中國科學院物理研究所、山西爍科晶體有限公司、山東天岳先進材料科技有限公司、山東大學[6]等。北京天科合達半導體股份有限公司(簡稱“天科合達”)成立于2006年，技術(shù)來源于中國科學院物理研究所科研項目及研究成果，是國內(nèi)首家專業(yè)從事SiC單晶襯底研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù)企業(yè)，十幾年來一直堅守SiC襯底細分領(lǐng)域，6英寸SiC襯底產(chǎn)品已實現(xiàn)批量銷售，得到了國內(nèi)外知名半導體器件企業(yè)的廣泛認可。天科合達從2020年開始開展8英寸導電型SiC單晶襯底的研發(fā)工作，經(jīng)過2年多艱苦卓絕的技術(shù)攻關(guān)，突破了8英寸晶體擴徑生長和晶片加工等關(guān)鍵技術(shù)難題，成功制備出高品質(zhì)8英寸導電型SiC單晶襯底，并計劃在2023年實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。


2.實 驗

2.1

晶體生長和襯底制備

本實驗通過以自主研發(fā)的由c軸偏向<11-20>方向4°的6英寸4H-SiC襯底作為籽晶和擴徑生長的起始點，采用物理氣相傳輸(physical vapor transport, PVT)法進行擴徑生長獲得直徑放大的SiC單晶。將放大的晶體進行切、磨、拋得到放大的新籽晶，通過多次迭代實現(xiàn)直徑放大到200 mm以上，從而獲得8英寸SiC晶體。生長過程中選擇籽晶的碳面作為生長表面，原料端溫度維持在2300 ℃左右，籽晶端的溫度控制在2100 ℃左右，壓力控制在4000 Pa以下，保持一定比例的氬氣和氮氣流動氣氛調(diào)控n型摻雜，從而實現(xiàn)導電型4H-SiC單晶的穩(wěn)定生長。生長完成后的晶體進行滾圓、磨平面得到標準直徑的8英寸晶柱，以多線切割的方式進行切片，而后將切片進行研磨、拋光、清洗等一系列流程，制備出標準尺寸的8英寸導電型4H-SiC襯底。

2.2

性能表征

使用LabRamHR800型拉曼測試儀對8英寸4H-N-SiC襯底進行拉曼光譜檢測，激發(fā)光源為532 nm，光斑大小為直徑721 nm，共檢測357點位，對襯底的晶型進行表征；使用Panalytical-X’Pert3 MRD XL型高分辨X射線衍射儀進行結(jié)晶質(zhì)量檢測，采用單色源Cu Kα射線(λ=0.15406 nm)，測試范圍為±0.02°，步長0.0001°, 積分時間0.1 s，檢測襯底上、下、左、中、右半徑中點處共5點位(004)衍射面的搖擺曲線，用以表征襯底的結(jié)晶質(zhì)量；使用光學顯微鏡檢測襯底的微管數(shù)量和分布位置，并計算出微管密度；使用非接觸式電阻儀，參照SEMI-MF673中的方法Ⅱ[7]，即非接觸渦流法測量襯底55點位的電阻率；使用應力檢測儀對8英寸襯底的應力進行表征，該設(shè)備利用光在不同應力條件下傳播會產(chǎn)生相位差這一特性，通過觀察疊加偏振的光明暗來定性辨別應力大小和分布；使用Tropel? FlatMaster 200對8英寸襯底的面型進行測量，該設(shè)備利用分析樣品與設(shè)備參考平面反射光形成的干涉條紋來識別樣品的面型和厚度變化；使用540 ℃熔融KOH對襯底進行20 min刻蝕，并采用全自動位錯掃描儀對其位錯分布及密度進行掃描和統(tǒng)計。


3.結(jié)果與討論


對于SiC晶體擴徑生長，溫場和流場決定了擴展邊緣結(jié)晶完整度和晶型單一性，在晶體邊緣處存在的SiC、石墨、氣態(tài)分子多種物質(zhì)交織發(fā)生化學反應的驅(qū)動力與表面沉積、原子遷移、吸附-解吸附等過程之間的動力學關(guān)系，決定能否實現(xiàn)晶體擴徑生長。隨著SiC晶體尺寸的增大，溫場和流場的不均勻性更加明顯，擴徑生長難度也顯著增加。采用熱場模擬與工藝試驗相結(jié)合方法，開展設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計、高匹配籽晶黏接、局部熱場設(shè)計優(yōu)化改進，解決大尺寸晶體擴徑生長邊緣缺陷增殖和熱應力問題，實現(xiàn)低應力8英寸SiC單晶擴徑生長。PVT法生長的8英寸導電型SiC晶體如圖1所示，晶體直徑達到 209.25 mm。生長界面微凸，表面光亮平滑且無任何裂紋，表明生長過程結(jié)晶比較穩(wěn)定。按標準加工流程制成直徑為200.03 mm的標準8英寸襯底，自然光下呈棕綠色，表面無明顯多晶、劃痕、崩邊等肉眼可見缺陷。圖片

圖1　天科合達8英寸SiC晶錠和晶片。(a)直徑達到209 mm的SiC晶錠；(b)標準8英寸SiC晶片

拉曼光譜對晶片357點位的測試結(jié)果如圖2所示。各測試點位均出現(xiàn)形貌相似的拉曼峰，且與聲子模以及簡約波矢和對稱性為204 cm-1(FTA，x=0.5，E2)的拉曼峰偏差不大于0.65 cm-1。與此同時，結(jié)果中未測得6H晶型對應的FTA模(150 cm-1)，以及15R晶型對應的FTA模(174 cm-1)等高強度簡約波矢模[8]。由此可得8英寸SiC晶片的4H晶型占比為100%。圖片

圖2　8英寸4H-SiC晶片拉曼光譜掃描圖(1為4H-SiC，2為6H-SiC，3為15R-SiC)

高分辨率X射線搖擺曲線測試結(jié)果如圖3所示，測試點位為襯底中心和上、下、左、右半徑的中心位置共5點。從圖中可以看出，各測試點位的(004)衍射峰均為單一峰，其對應的半峰全寬分布在10.44″至11.52″之間，表明8英寸4H-SiC襯底結(jié)晶質(zhì)量良好，不存在多晶、小角晶界等影響結(jié)晶質(zhì)量的缺陷。
圖片

圖3　8英寸SiC晶片(004)晶面高分辨X射線衍射圖譜

使用光學顯微鏡對8英寸襯底的微管密度進行全自動掃描，去除邊緣3 mm區(qū)域的微管進行統(tǒng)計后得出，該8英寸襯底的微管密度為0.04 cm-2。整片中共發(fā)現(xiàn)微管14個，且均分布于邊緣，如圖4所示。圖片

圖4　8英寸SiC晶片微管分布

采用非接觸式渦流法測試8英寸SiC襯底電阻率，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，8英寸襯底的平均電阻率為0.0203 Ω·cm，最大值為0.0208 Ω·cm，最小值為0.0199 Ω·cm，相對標準偏差為1.11%。圖片

圖5　8英寸SiC晶片電阻率測試結(jié)果

采用偏振光應力儀檢測的8英寸襯底應力分布，如圖6所示。一般地，測試結(jié)果中明暗波動較大的區(qū)域應力較大[9]。該8英寸SiC襯底整體應力分布均勻，除在小面位置外側(cè)以及襯底邊緣位置存在低強度應力區(qū)域外，大部分區(qū)域未見明顯的應力集中區(qū)域，表明晶體的結(jié)晶質(zhì)量良好。圖片

圖6　8英寸SiC晶片偏振光應力測試結(jié)果

使用FM200測試的晶片面型結(jié)果如圖7所示。通過測量得出該8英寸晶片的3點彎曲度(Bow)為-3.773 μm，3點翹曲度(Warp)為17.318 μm。圖片

圖7　8英寸SiC晶片平整度測試結(jié)果

通過熔融KOH刻蝕，SiC襯底硅面表面的位錯位置被擇優(yōu)腐蝕放大，即位錯腐蝕坑。使用自動位錯檢測儀對腐蝕坑的形貌進行識別和分類，并統(tǒng)計出位錯在襯底上的分布和位錯密度。結(jié)果顯示，該8英寸襯底的位錯腐蝕坑密度(etch pit density, EPD)為3293 cm-2，其中螺型位錯(threading screw dislocation, TSD)密度為81 cm-2，刃型位錯(threading edge dislocation, TED)密度為3074 cm-2，基平面位錯(basal plane dislocation, BPD)密度僅為138 cm-2。各類型位錯的分布如圖8所示。由于小面區(qū)域的生長習性與其他區(qū)域不同，導致位錯密度在此位置明顯高于其他區(qū)域，符合理論預期。圖片

圖8　8英寸SiC晶片位錯分布圖

綜合上述結(jié)果，該SiC襯底的各項指標與當前6英寸SiC襯底的行業(yè)標準[10-11]相當，可滿足后續(xù)8英寸外延、器件等加工要求。


4.結(jié) 論


使用PVT法通過多次擴徑生長將SiC晶體直徑從150 mm擴大到209 mm，并通過多線切割、研磨、拋光等一系列加工工藝，制備出標準的8英寸襯底產(chǎn)品。8英寸4H-SiC襯底4H晶型比例為100%，5點X射線搖擺曲線半峰全寬分布在10.44″~11.52″，平均微管密度為0.04 cm-2，平均電阻率為0.0203 Ω·cm。襯底不存在明顯應力區(qū)，Warp值為17.318 μm，Bow值為-3.773 μm，總位錯密度為3293 cm-2，其中TSD密度為81 cm-2，BPD密度為138 cm-2，各項檢測指標均達到了行業(yè)先進水平。為滿足國內(nèi)外客戶對于8英寸SiC襯底的迫切需求，天科合達公司預計2023實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)。
來源：人工晶體學報 作者：婁艷芳、劉春俊等 單位：北京天科合達半導體股份有限公司

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